(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数電極（3）を備え、所定方向(f1)の分極を示すピエゾ電気タイプのトランスジューサを有する超音波源と、
超音波を発生させるために超音波トランスジューサ（2）の前記電極（3）に電圧を印加する手段（4）を、
有するカップリング媒体における高圧超音波生成装置であって、
立上り時間（ｔ２ｍ）を有する進行的電圧（Ｖ4）は、前記超音波トランスジューサ（２）を圧縮するために前記分極方向（ｆ1）とは反対方向(f2)の電界を生成するためのものであって、
前記進行的電圧（Ｖ4）の印加時間（Ｔ）は10μ秒より長く、好ましくは約100μ秒であって、前記ピエゾ電気高圧超音波トランスジューサを脱分極に導く時間より短いものであって、
立上り時間（ｔ3ｍ）をもつ電圧（Ｖ3）は、分極方向（ｆ1）と同一方向（ｆ3）を持つ過渡的電界を印加し、圧縮超音波をカップリング媒体において放出させるものであって、
前記立上り時間（ｔ２ｍ）は過渡的電界の立上り時間（ｔ３ｍ）より少なくとも１０倍大きいことを特徴とする高圧超音波生成装置。
【請求項２】
前記電圧（Ｖ3）を印加するための手段（4）は、１μ秒乃至約１秒の範囲（好ましくは約100ｍ秒）を持つ印加時間（ｔ３）、前記分極方向(f1)と同一方向(f3)を持つ過渡的電界を加えることを特徴とする請求項１に記載の高圧力超音波パルス生成装置。
【請求項３】
電圧（Ｖ3）を印加するための手段（4）は、０．１μｓ乃至２０μｓの範囲の立上り時間（ｔ３ｍ）の間、前記分極方向(f1)と同一方向(f3)に過渡的電界を加えることを特徴とする請求項１又は２に記載の高圧力超音波パルス生成装置。
【請求項４】
前記過渡的電界を加える時間（ｔ3）は、前記分極方向（f1）と逆方向(f2)の電界を加える時間（T）と同じか、又は長く、必要に応じて、超音波トランスジューサ(2)を再分極化することを可能にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の高圧力超音波パルスを生成する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高圧、即ち、数百バール(bar)、又は約千バールのオーダの超音波パルスを生成する技術分野に関する。
【０００２】
本発明は、材料又は構造体の非破壊検査分野、若しくは、医療分野（結石破壊(lithotrity)、キャビテーションによる組織破壊等）における応用に関する。
【背景技術】
【０００３】
超音波パルスは、ピエゾ電気型トランスジューサを有する音源を使うカップリング媒体（coupling medium）内で生成される。該トランスジューサは、電圧が印加されると、音波を生成する。該音波は通常焦点に絞られ、高圧を達する。この点につき留意すべきは、トランスジューサの焦点の圧力と表面の圧力との比は、『アンテナ ゲイン』として知られていることである。該アンテナ ゲインは、放射周波数と、開口度（即ち、トランスジューサの直径に対する焦点長さの比）の関数になっている。一例として、直径約45センチメータ、表面圧力約10バール、400ｋHzの周波数のカップ形状の音源を使うと、結石破壊器の焦点において1000バールの圧力を有する超音波が生成される。
【０００４】
このような超音波パルスを生成する音源は、サイズが大きいので、ポータブル又はポータブルに近い装置を製造することはできない。この音源のサイズを小さくする為には、放射カップの表面圧力を大きくしなければならない。
【０００５】
この目的を達成するために、従来、ピエゾコンポジットとして知られているコンポジットタイプの材料を使用することが提案されていた。このピエゾコンポジットは、表面圧力を従来のピエゾセラミック材料のものと比較して、1.5倍から2倍に増大することができるものである。このタイプの材料を使うと、本質的に厚さ方向に振動するので、縦モードが生成される。従来のピエゾセラミック材料を使うケースと比較すると、その振幅が小さい。このゲインは有利なものであったが、依然として不十分であった。
【０００６】
Luc Chofflet氏がパリ第８大学に提出したドクター論文『超音波トランスジューサと積層マルチピエゾ電気構造の最適化の研究（L’etude de L’optimisation des transducteurs ultrasonores et des structures multi-piezo-electriques empiliees）』には、２個のトランスジューサをサンドイッチ状に組み合わせると、表面圧力を増大させることができることが示されている。理論的には、ゲインは、積層体の層数に比例するものであった。然し、実際に研究してみると、実際のゲインは、より小さなものであった。というのは、前面の(frontal)トランスジューサは、ストレスを全面的に受け、最前列の構成素子が破壊されてしまったのである。更に、平板の積層型トランスジューサを製造することすら既に複雑であるから、カップ形状でこの原理を実施するトランスジューサを製造することは、極めて困難である。
【０００７】
従来技術において、TONPILZ（acoustic mushroom）タイプのトランスジューサは、漁業又は海軍用ソナーに使用する単色（monochromatic）波を生成するためにのみ設計されていた。フランス特許FR 2 640 455及びFR 2 728 755には、ピエゾ電気材料上に機械的なストレスを与え、高圧を生成するための各種方法が記載されている。
【０００８】
トランスジューサのピエゾ電気材料を固着（clamping）させると、全体の共振周波数を大幅に低下させることが、確認できた。従って、このトランスジューサは、最大でも、数十kHzの共振周波数で動作し、結果、その応用は、ソナーに使用される。更に、トランスジューサが積層体として構成される場合は、この音源は、その積層体層が共振に入る為の周波数だけを伝送することができる。つまり、広帯域周波数のスペクトラムを持つ圧力パルスを伝送できず、又、短いパルスを伝送できない。加えて、積層体構造のトランスジューサを製造することは簡単ではない。
【０００９】
先端技術として、米国特許No. 5 549 110が知られている。この特許の装置は、複数電極と、該電極に電圧を加える手段とを備え、ピエゾセラミックタイプのトランスジューサを有する、音波パルス生成装置である。変形例によれば、電圧を加える手段は、トランスジューサが分極する方向と逆方向に電界を与え、その後、トランスジューサが分極する方向と同一方向に過渡的（transient）電界を与え、音響波を放射する。
【００１０】
ピエゾ電気トランスジューサ上で電気的プレストレス（prestress）を与えると、機械的プレストレスを与える時に生じる固有な問題を避けることができる。加えて、高圧超音波を生成するために、トランスジューサを伸張する前に、前もって圧縮させておくと、伸張する時、破壊は生じない。
【００１１】
にも拘わらず、前記特許に記載された音響波パルス生成装置は、実際には、結石破壊に使用することはできない。この装置が生成する超音波の波形は、音響衝撃波に関連する要件を満たさないからである。特に、前記トランスジューサに与えられるプレストレスは、引き続き生成される圧縮波（compression wave）の大きさに実質的に等しい大きさの拡張波（expansion wave）を生成する。拡張波はキャビテーションを導き、これにより、後続の圧縮波の伝播は阻止される。更に、トランスジューサに与えられるプレストレスは、不可避的に脱分極（depolarized）に導くものであった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明の目的は、前記先端技術の欠点を改良するもので、先行する（prior）拡張波を生成することなく、高圧超音波パルスを生成し、ピエゾ電気トランスジューサの脱分極を回避し、然も、簡単な方法で製造することのできる装置を提案するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的を達成する為に、高圧超音波パルスを生成する本発明の装置は、
・複数電極を備えた、所定方向に分極を示す、ピエゾ電気タイプのトランスジューサを有する超音波源と、
・前記超音波トランスジューサの電極に電圧を印加する手段とを有し、該手段は、超音波を放射するために、以下を行う。
・超音波トランスジューサを圧縮するために、分極方向と逆方向に電界を印加すること。
・次に、分極方向と同一の方向の過渡的電界をかけ、圧縮超音波をカップリング媒体において放射すること。
【００１４】
本発明によれば、前記手段は、ピエゾ電気超音波トランスジューサの脱分極に導く時間より短い印加時間の間、分極方向と逆方向の電界を生成するために、立上り時間を持つ進行的（progressive）電界を印加する。
【００１５】
本発明の他の目的は、トランスジューサの脱分極を回避し、特に、脱分極をゆっくり引き起こす、大振幅の分極（de forte amplitude ）を示すように構成された高圧超音波パルス生成装置を提案することである。
【００１６】
この目的を達成する為に、本発明による、超音波パルス生成装置は、電圧印加時間中に過渡的電界を生成する電圧を印加する電圧印加手段を有する。前記印加時間は、必要に応じて、前記分極方向に逆方向の電界を加える時間より長いか又は等しくし、超音波トランスジューサが再分極化(repolarization)されるようにする。
【００１７】
図を参照して以下の記載から、本発明の種々の別の特徴が明らかになる。これら図は、本発明の実施例を表すものであるが、本発明は、これら図に限定されるものではない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１から分かるように、高圧超音波生成装置１は、カップリング媒体において音波を放射する音源を形成するピエゾ電気タイプの超音波トランスジューサ２を有する。前記トランスジューサ２は、電圧印加手段４に接続する、相互に平行な複数電極3を有する。
【００１９】
トランスジューサ２の構成は当業者に周知であるから詳細に説明しない。又、音波を生成するための能動素子として、超音波トランスジューサ２は、ピエゾセラミック、ピエゾコンポジット、又はピエゾ電気ポリマ材料のような、全てのピエゾ電気タイプの材料を含む。
【００２０】
公知の方法により、トランスジューサ２は、電極３に垂直な方向の分極を示す。これを矢印ｆ1で表す。従って、電圧が電極３に印加されるとき、ピエゾ電気材料に特有な分極方向が、電極により生成される電界に平行である限り、トランスジューサ２は圧縮/拡張モードで動作する。前記トランスジューサのピエゾ電気材料の変形は、本質的に電界に平行な方向に起こる。
【００２１】
本発明によると、前記手段４は、高圧超音波を生成する前に、電気的プリストレスをトランスジューサ２に加える。図２に示すように、前記手段４を制御し、進行的(progressive)電圧をトランスジューサ２の電極３に加えると、ピエゾ電気材料において、分極方向ｆ1と逆方向の電界（矢印ｆ2で示す）が生成される。これにより、トランスジューサ２は、徐々に圧縮される。図２と図１とを比較して、分かるように、電極３に加えられる進行的電圧は、このようなものであるから、トランスジューサ２は、分極方向と逆方向ｆ2の電界に従い、徐々に圧縮される。生成される圧力は電圧変化率（即ち、その導関数）に比例するから、トランスジューサ２は徐々に圧縮される。図４から分かるように、期間Tの制御電圧V2は、トランスジューサの電極３に加えられる立上り時間ｔ2ｍを有する進行的電圧を導く。これは、電圧V4に対応する図を参照すると理解できる。
【００２２】
次に、前記手段４は、電圧V3を加え、ピエゾ電気材料において、分極方向と同一方向の過渡的電界を生成する。図３を参照して分かるように、トランスジューサ２は、分極方向ｆ1と同一方向ｆ3の電界に従う。前段階の状態から出発して、トランスジューサ２は、拡張（expansion）に従い、カップリング媒体に圧縮波５を送出する。
【００２３】
上記記載から分かるように、本発明は、進行的電圧手段を使って、トランスジューサの分極方向と逆方向の電界をトランスジューサに加え、前記進行的電圧の後、前記分極と同一方向の電界を加え、それにより、拡張に導くことにより、トランスジューサ２を徐々に圧縮して、超音波５を送出する簡単な方法である。トランスジューサ２を伸張する前に圧縮する限り、トランスジューサ２は、図１に示す初期段階から，ほとんど伸張していないと考えられる。トランスジューサ２は、破壊を回避するに十分な程度、僅かに伸張される。更に、トランスジューサ２に徐々にプレストレスを加えることは、圧縮波の伝播を抑止する拡張波の発生を回避するためである。
【００２４】
本発明の特徴に従うと、前記手段４は、ピエゾ電気トランスジューサ２の脱分極（図4）に導く期間より短い期間Tの間、電圧を印加し、前記分極方向と逆方向のf2方向の電界を生成する。例えば、前記分極方向に逆方向の電界を加える為の、前記進行的電圧の印加期間Tは、10μsより大きく、約100μsが好ましい。従って、所定期間、進行的電圧を印加することにより、トランスジューサ２に脱分極を起こさず、徐々にプリストレスを与えることができる。
【００２５】
好ましい実施例によると、前記手段４は、電圧V3を印加し、分極方向ｆ1と同一の方向ｆ3に、印加期間ｔ3、過渡的電界を生成する。前記印加期間ｔ3は、1μsから1secの期間で、好ましくは，約100ミリ秒（ms）である。
【００２６】
好ましい実施例によると、過渡的電界の印加時間ｔ3は、前記分極方向ｆ1と逆方向ｆ2に電界を加える期間Tより大きいか、又は等しくする。そうすることにより、ピエゾ電気超音波トランスジューサ２に、小さい脱分極が発生する場合でも、再分極化できる。特に、特殊なケースで、トランスジューサ２が大きい幅で（avec une forte amplitude）分極している場合でも再分極化できる。図４から分かるように、電圧V3は、圧縮波を生成するが、徐々に、その初期電圧（0V）に復帰し、トランスジューサの再分極を可能にする。
【００２７】
別の好ましい実施例によれば、前記手段４は、電圧V3を印加し、分極方向ｆ1と同一の方向ｆ3に、立上り時間ｔ3m、過渡的電界を生成する。前記立上り時間ｔ3mは、0.1μsから20μsの期間で、結石破壊用には、好ましくは，１μsから10μsである。
【００２８】
図４の第３タイムチャートは、トランスジューサ２の電極間の電圧V4の波形である。好ましい実施例によると、分極方向ｆ1と逆方向ｆ2に電界を加えるための進行的電圧は、立上り時間ｔ2mを示す。該立上り時間ｔ2mは、前記過渡的電界の立上り時間ｔ3mより大きくして、有害波（即ち、拡張波）の影響を最小化する。好ましい実施例においては、この立上り時間ｔ2mは、前記過渡的電界の立上り時間ｔ3mより少なくとも10倍大きい。
【００２９】
従って、本発明によれば、高圧超音波生成用装置を作成することができる。即ち、本発明を使わないトランスジューサでは、最大圧力は、35バール（悪化する以前）であった。電気的プリストレスを加えるトランスジューサでは、最大圧力60バールを得ることができた。
【００３０】
当然、電極端子に電圧を加える前記手段４は、１又は２の発電機（generator）を使って、適当な方法で構成することができる。加えて、トランスジューサの形状をどのような形状にしてもよい。例えば、カップ形状にすることもできる。
【００３１】
本発明は、前記実施例に限定されることなく、本発明の範囲を超えることなく、種々の変形を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による、超音波パルスを生成する装置の図である。
【図２】本発明による、超音波パルスを生成する装置の図である。
【図３】本発明による、超音波パルスを生成する装置の図である。
【図４】本発明の装置が動作する原理を説明する為のタイムチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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